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對奈米科技既愛又怕的期待

科景_96
・2011/02/08 ・3348字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 570 ・九年級
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Original publish date:Aug 11, 2003

編輯 HCC 報導

奈米科技宛如新一代的工業革命,於先進國家正如火如荼的的展開其研發。美國總統於2004年的預算分配了近八億五千萬美元予國家奈米科技啟動計劃(National Nanotechnology Initiative);今年五月美國國會也通過於未來三年總計近二十四億美元的奈米科技研究法案。美國國家科學基金會(National Science Foundation)預測到2015年奈米科技可能成長到每年一百萬兆的工業產值。而於國內,政府今年正式推動「奈米國家型科技計畫」,擬於六年內投入新台幣231億元的經費,並且希望在2010年達到新台幣1兆元的產值。

在奈米科技的研究正熱烈地展開時,卻有不少人士以不同的觀點開始審慎的反向思考,評估奈米科技可能的負面影響。例如著名的昇陽電腦(Sun Microsystems)公司創辦人之一比爾﹒喬伊(Bill Joy),極力反對無約束性的奈米發展,於其刊登於2000/4 Wired中的文章“Why the future doesn’t need us”,他認為奈米科技具有使人類絕滅的威脅性,擔心人類所製造具備自我複製功能的微型機器人(nanobots)會發狂,造成世界的混亂。最近由Michael Crichton(侏羅紀公園與急診室的春天作者)所著作的小說“奈米獵殺 ”(洪蘭教授翻譯,遠流出版),即將未來一些奈米機器描繪成超微小的、無法控制的、足以引爆全面恐慌的恐怖份子。

於歐洲以反對人造基因食物出名的 The Action Group on Erosion, Technology and Concentration(ETC),也於今年年初要求幾乎是暫時終止奈米科技的研發,一直到能實施奈米微粒處理的管理標準草案為止。今年六月並與行動主義團體如綠色和平組織與英國遺傳學監督機構(GeneWatch U.K.)於歐洲議會發起一項會議,接櫫其理想。ETC計劃管理Jim Thomas認為由於奈米微粒在毒性上所承擔的風險,因此急需要對其處理方式獲得一致的實驗室協定。

綠色和平組織於7月24日在New Scientist發表了一篇研究報告,討論奈米科技對環境與社會的影響,呼籲業界提供較目前更多的經費用於相關研究,以表示其對環境關懷的承諾。綠色和平組織在思索是否量子點、奈米微粒以及其他丟棄式奈米元件會構成一個新類別的非生物分解式污染物,而科學家對其了解卻不多。報告也檢視了醫學倫理、奈米對立(註:nano-divide,國家之間能否進入奈米科技領域所帶來的對立與差距)、奈米科技的破壞性應用以及公眾對此科技的接受程度。但報告中對於要如何更進一步展開其所關心的議題,則並未提出新的、具體的科學論點;內容反而是根據之前所發表過的新聞報導,以及由類似ETC團體所收集的相關科學研究與資訊。總體而言,該報告聲稱奈米科技對於社會關聯性的研究遠落後於科學研究與其商品化成果展示,政府與業界應該付出更多,並置身於由奈米科技所引起的環境、醫學與倫理挑戰之前。

美國加州柏克萊大學A. Paul Alivisators 則稱停止奈米科技的研發極不道德,特別是在醫藥與能源上,因其奈米科技的潛在利益不可忽視。其他的學者也認為研發的暫停不僅不需要也不實際,因為僅會讓研究轉為地下化而已。密西根大學醫學院生物奈米科技中心主任,James R. Baker, Jr. 則認為如果研究能公開,而且由主管機構進行審查並相互討論,同時在科學期刊上由其他的研究學者與以複審,即可獲得超出所需的監督,並保證環境或生物議題都妥為處理。

美國奈米商業聯盟執行董事 Mark Modzelewski對綠色和平組織的批評更為尖銳,認為該組織於7月24日發表的報告為科技業界的恐怖主義活動。他推論這些團體會注意到奈米科技,是因為奈米科技被認為是下一個工業革命,所以他們打算延緩奈米科技的進展、創造恐懼、使大眾不安,造成工業與技術進展的阻礙,因為綠色和平組織在基因改造食品(genetically-modified food)的反對運動上頗有收獲,所以這是他們再次表現的大好機會。

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而奈米科技的主流研究人員則爭論,若干對奈米科技未來發展的預測情景是不可能發生的,不過許多科學家同意這個迅速成長的領域其所可能帶來的衝擊與影響,值得進一步的加以檢視。有些科學家則以更審慎的角度來檢視這個新興科技,希望能未雨綢繆對其不可預測的將來加以規範與約束,例如前瞻協會(Foresight Institute) 及分子奈米科技製造協會 (Institute for Molecular Manufacturing)於2000年所修訂的分子奈米科技研發規範(Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology)草稿3.7版,其目的是要對分子奈米科技提供一個負責任的研發基礎。試舉其開發原則瑩瑩大者如下:
1. 人造複製機器絕不能在自然的、沒有控制的環境中複製。
2. 在一個能自複製的製造系統環境條件之內,要阻止其演化。
3. 任何被複製的訊息均不能含有錯誤。
4. 分子奈米科技元件設計應該明確的限制其擴散,並且對任何複製系統需提供可溯性。
…等等。

奈米微粒對生物組織的影響研究也次第展開中,但是今年年初於美國新奧爾良所舉行的美國化學學會全國會議有關奈米微粒毒理學的研究顯示,奈米科技對生物影響的疑義一點也不明確。依據詹森太空中心Chiu-wing Lam所進行之三種碳奈米管材料對老鼠肺功能的影響試驗,將含有不同數量鐵金屬與鎳金屬的碳奈米管懸浮液或對照粉塵置入老鼠的氣管,在7至90天之內對老鼠肺部進行檢驗,研究人員發現碳奈米管會引起與劑量有關的反應,在碳奈米管材料週遭會發生炎症反應(inflammation)與組織壞死(tissue death),科學家聲稱於其試驗條件,如果碳奈米管侵入肺部會比石英材料(quartz)更具有毒性。相對的,由杜邦公司David B. Warheit所帶領的碳奈米管試驗卻顯示其副作用較低,雖然曝露在碳奈米管下的老鼠,於最初的24小時內有15%的老鼠會死亡,不過科學家確定其死因為奈米微粒黏著在一起所造成的窒息,其他存活的老鼠確實有肺部發炎的初期表徵,不過與劑量無關。除此之外,發炎反應僅持續了一週,而石英微粒所造成的持續反應長達三個月(喔喔,題外話:七月份的中國時報曾刊出飛灰廠僱用非成年國中生打工的新聞,飛灰是一種石英與鋁酸鹽的混合物)。兩個研究團隊都認為必須再進行動物對空氣中奈米微粒反應的更進一步研究。

會議中發表的另一場論文,羅徹斯特大學的Günter Oberdörster對老鼠吸入聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE, 鐵弗龍)奈米等級微粒的研究結果顯示,當呼吸的空氣中含有20奈米直徑的PTFE微粒時,四小時內將使大部份的老鼠致死。然而,當微粒直徑超過130奈米時,毒性副作用顯著的降低。會議中的許多科學家則警告關於奈米微粒毒性所做的一些發現仍僅為初步研究。德州萊斯大學(Rice University)化學教授也是生物與環境奈米科技中心主任 Vicki L. Colvin 認為目前所能獲得之研究進展,僅能歸類為第一章或此主題的序言而已。

事實上,美國國會對此問題也相當重視,今年四月眾議院科學委員會舉行了場聽證會,對2003年的奈米科技研究與研發法案,以及奈米科技其潛在的社會與道德關聯性進行討論。美國眾議院與參議院正推動相關法案(眾議院766號法案與參議院189號法案),要求美國政府提供經費以進行民生奈米科技對社會、經濟與環境所造成的衝擊。五月七日眾議院通過了766號法案,授權近二十四億美元予美國科學基金會、國防部、商業部、太空總署與環境保護總署,於三年內進行奈米科技的研究發展計畫。參議院商業委員會則於六月通過一項法案,每年將授權五百萬美元經費給與特別的美國奈米科技準備中心,對與奈米科技有關的道德議題進行調查,而參議院本身也預期於夏末批准此項立法,兩院並將就差異性進行協調。

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美國工商業界對奈米科技的發展則是積極性的期待多於戒慎,美國國家製造協會的Russell Shade稱:“連續三十一個月來,美國失業人數已累積至兩百萬人,所以在技術精密複雜性與產能上,美國必須更努力的居於世界領先地位,這是再也清楚不過的事情了。美國完全不能夠在奈米科技的世界領先賽中失敗,毫無疑問的,這場競賽從實驗室開始”。英特爾公司的Douglas B. Comer說到:“眾議院766號法案是美國繼續其新科技研發領先地位的重要基石之一,如果缺乏持續基本研究所需要的經費,相較於以更高比例GDP致力於基本研究的其他外國競爭者,美國將面臨失去此成長科技龍頭地位的風險”。

參考來源:

相關連結:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Mar 25, 2006] 視奈米科技為洪水猛獸?
  • [Apr 17, 2005] 奈米科技對窮人國家有啥好處?
  • [Mar 21, 2005] 奈米微粒對肺部的影響
  • [Aug 01, 2004] 奈米科學與奈米科技的機會與不確定性
  • [Apr 14, 2004] 奈米科技百利無一害?
  • [Apr 03, 2002] 奈米材料對環境與人類健康可能的負面影響

  • 文章難易度
    科景_96
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    Sciscape成立於1999年4月,為一非營利的專業科學新聞網站。

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    陌生人很危險嗎?為什麼家人不讓我見網友?——《【圖解】女孩的安全教育課》
    圓神出版‧書是活的_96
    ・2024/04/25 ・2451字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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    手機驚見神秘人邀約,可以去嗎?

    萱萱的手機突然收到一條陌生簡訊:我有個東西送給你,放學後到後山見。這是我倆的秘密,不能讓別人知道哦。署名是「一個關注你很久的人」。發現有人要送東西給自己,萱萱很興奮。但沒過多久,她就猶豫了:「都不知道是誰,能去見嗎?」萱萱想找小曦商量,但對方說過,不能讓別人知道。她思來想去,還是決定放學後去看看,因為她覺得不能無視別人的好意。

    可能發生哪些危險?

    1. 這可能是壞人的陷阱,赴約就有可能被陌生人侵害。
    2. 是壞人發的邀約簡訊,儘管最後逃離了,還是受到侵犯,身心俱損。
    3. 還可能被陌生人控制並拐賣。

    遇到危險容易犯的錯!

    「知道我電話號碼的,肯定是熟悉的人!」

    → 那可不一定,現在有許多非法商家會買賣電話號碼給壞人。

    「去看看,隨機應變,有危險就跑!」

    → 等發現危險,想逃跑就來不及了。

    「後山就在學校裡,別人不敢怎樣的。」

    → 後山是學校的偏僻地帶,正適合違法犯罪。

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    「人家的好意,無視就太對不起了。」

    → 無視就無視了,如果真要送自己禮物,會另外再找時間送的。與危險相比,不理會陌生邀約是對的。

    正確的作法

    直接忽視簡訊,當作沒看見

    「嗯,不理會就好了!」

    也不知道是誰的手機邀約簡訊,不必當真。現在是個資被到處洩漏,陌生人知道自己的手機號碼很平常的年代,對於不明簡訊不用放在心上。

    警惕「秘密」二字

    「送人禮物可以大大方方,不是什麼秘密。」

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    對方如果特別強調不要告訴別人,還提及「這是秘密」之類的字詞,就要特別警惕了。這多半不是好事,千萬不要上當了。

    不要一個人去見身分不明的人

    「不然我叫幾個同學跟我一起去?」

    不用真的保守「秘密」。如果好奇或者覺得必須去,可以多拉幾個同學一起去,而且不要只叫一兩個人,人越多越好。

    本篇的學習重點是「不接受陌生人的邀約」。那如果是同學介紹的朋友呢,可以去見見嗎?

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    A:最好還是徵求父母的意見,讓大人做主。一般來說,如果是同學介紹的陌生人,也不要一個人去。如果不是非見不可,乾脆就不見,這跟不隨便見網友是同樣道理。反正謹慎總是沒壞處。

    陌生網友要免費幫我上課,可以相信嗎?

    小曦加入了一個關於「試題測試」的學習群組。有一天,群裡一個自稱某某老師的人加了小曦的臉書,私訊說可以免費一對一視訊指導。小曦一聽是免費上課,立刻就答應了。對方還提出,為了能真實了解小曦的學習情況,最好選擇父母不在身邊的時間聊,以防打擾。就這樣,小曦跟沒見過面的這位老師,約定了第一次視訊聊天的時間。

    可能發生哪些危險?

    1. 免費的視訊教學可能有欺詐風險。
    2. 跟陌生人視訊聊天,容易讓陌生人有機會了解自己,控制自己。
    3. 很多網路性侵的發生,都是從跟陌生人聊天開始的,要特別注意。

    遇到危險容易犯的錯!

    「免費的視訊教學喔,機不可失!」

    → 網路上切忌貪便宜,世上沒有白吃的午餐,網路上也是。

    「只是視訊聊天而已,對方是侵犯不到自己的。」

    → 小女孩分辨力弱,而壞人手段很多,他們總有辦法施行犯罪的。

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    「試試看,如果覺得不可靠就不聯繫!」

    → 試試看的心理經常會害人。一定不要輕易嘗試,試了就有可能上鈎,提高被侵犯的可能性。

    正確的作法

    把源頭堵住,不接受陌生人加好友的請求

    「不加陌生人好友!」

    一旦加了陌生人,對方就有機會施行詐騙或侵犯,一定不要隨便加陌生人好友。

    堅決拒絕陌生人的視訊聊天請求

    「跟他又不熟,視訊聊天幹嘛?」

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    不管陌生人以什麼理由要求視訊聊天,都要堅決拒絕。主動找小女孩視訊聊天的陌生人,一般都不是好人。

    警惕那些免費的網路行銷

    「免費的?不可能!」

    網路上很多違法亂紀,都是從免費的網路行銷開始的,有些女童性侵案件也是。所以在網路上一定要特別提高警覺,壞人很容易利用貪便宜的心理進行詐騙和侵犯。

    本篇的學習重點是「不跟陌生人視訊聊天」。那在網路上認識很久,只是沒有見過面的人,算不算陌生人,能不能視訊聊天?

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    A:沒見過面的網友也算陌生人,也不能隨便視訊聊天。網路世界的複雜度不亞於現實社會,小女孩不能因為是網路就掉以輕心。不要隨便視訊,更不要隨便把自己的私密部位給其他人看。

    ——本文摘自《【圖解】女孩的安全教育課:面對 38 個危險情境,這樣保護自己》,2021 年 9 月,如何出版,未經同意請勿轉載。

    討論功能關閉中。

    圓神出版‧書是活的_96
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    書是活的,他走來溫柔地貼近你,他不在意你在背後談論他,也不在意你劈腿好幾本。 這是一種愛吧。 圓神書活網 www.booklife.com.tw

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    如何找到肺癌對應基因?臨床實驗幫助病友翻轉病情!
    careonline_96
    ・2024/04/24 ・2515字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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    給 每一位剛踏上抗癌路上的鬥士與戰友

    確診晚期肺癌的病友,在治療初期若是能與醫師密切配合,就有機會可以找到很好的治療方式,讓病情翻轉。進入治療前,首先會透過基因檢測,找出關鍵的基因突變,若是未發現常見基因突變,也可利用次世代基因定序,找出罕見基因。肺癌的治療已像慢性病一樣,只要妥善運用基因檢測與接續治療策略,就有機會延長病友的存活期,無論是帶有 EGFR、ALK、ROS1、BRAF、HER2、RET、MET、KRAS、NTRK 等基因突變,目前也都已經有很好的標靶藥物可治療,病友只要了解自己的疾病概況,與醫師充分溝通,一起把握每一次治療的機會!

    大林慈濟醫院副院長賴俊良醫師

    次世代基因定序助攻!揪出罕見肺癌改善病友預後

    一名確診晚期肺癌的 50 多歲男性,在進行一般的基因檢測時並沒有找到突變基因,病程也加速惡化,且伴隨糖尿病、高血壓、腎功能衰退,全身嚴重浮腫。所幸,再接受次世代基因定序檢測後,很幸運地發現他是較罕見的 MET 基因。賴俊良醫師說,MET 基因分為不同的突變型,而該名病友屬於較少見的擴增型,後續在使用相對應的標靶藥物治療後,全身浮腫的狀況逐漸改善,病情也受到控制,且恢復到原本的工作與生活。

    標靶藥物各有專攻 找到對應基因才能發揮效果

    台灣的肺腺癌以 EGFR 基因突變為主,其他基因突變相對稀少,包含 ALK、KRAS、BRAF、ROS1、RET、NTRK 等。賴俊良醫師說,由於國人常見的致癌基因約佔一半以上,因此,通常會先檢測這些突變基因,若是找不到突變基因,則是會採取更先進的檢測方法找出突變基因,而次世代基因定序是目前肺癌精準治療的重要工具,可以更準確地找到驅動關鍵基因,醫師也可以從而制定精準的治療策略,進而大幅改變病友的預後。

    晚期肺癌的治療藥物已有相當大的突破與進展,在過去不知道有這些基因突變時,部分病友的預後較差,但現在針對主要的驅動基因,幾乎都有相對應的藥物可以治療,賴俊良醫師說,有些病友知道標靶藥物治療成效佳,堅持只接受標靶治療,其實概念上並沒有這麼簡單,不同的驅動基因要使用不同的標靶藥物,才有辦法發揮治療效果。

    臨床試驗安全性高 為病友帶來新契機

    一般人聽到臨床試驗,常直覺是白老鼠,賴俊良醫師說,這樣的錯誤觀念仍有待匡正,其實所有藥物都必須先經過動物實驗,確認有明顯的治療成效,才會進到人體試驗,且第一期、二期、三期分別有不同的條件與目的,只有在第一期和第二期執行成果中,顯示其具有前景的試驗,才會進入第三期,在臺灣進行的臨床試驗都已具有相當完善的規範,也會在保護受試者的情況下進行。病友若是治療遇到瓶頸時或是可能需要自費或是參加臨床試驗,賴俊良醫師建議,若符合可以參加臨床試驗的條件,病友及家屬可以進一步與主治醫師討論了解,也有機會可以找到新契機,讓病情翻轉。

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    他的故事 談面對恐懼

    罹癌就像暴風雨 家人陪我度過每個關卡

    曾經聽人家說「罹癌是上天給的禮物」,這個天上掉下來的禮物很痛苦、很折磨,也狠狠把我 K 醒!才 53 歲的我,去(2023)年 3 月起連續兩個月咳個不停,確診為肺腺癌第四期,我的腦子一團亂,醫師開始為我化療,治療期間我吃不下、甚至沒辦法走路,家人擔心再化療下去可能連命都沒了。

    就像落水的人,拼命想抓住救生圈,經過不斷打聽,朋友介紹到大林慈濟賴副院長的門診。第一次住院待了 33 天,治療期間,好像一個人漂浮在汪洋中,害怕上不了岸,擔心得連呼吸都困難;沒想到最後可以出院,體力還變好,原本沒辦法行走,後來能夠走出醫院,過了這個坎,好像就沒有什麼好怕的了。

    過去從事餐飲業,每天至少一包菸,加上廚房的油煙,破壞身體免疫力。以前認為跟家人除夕吃團圓飯很平常,罹癌住院 33 天的經驗,讓我知道這個「平常」代表「幸福」。治療中,太太、兒女一路陪我度過每個關卡,從身體不舒服的第一天,到住院、標靶藥物和門診追蹤,可靠又溫暖的陪在身旁。

    我有十幾年糖尿病的歷史,罹癌後發現血壓、腎臟指數飆高,全身浮腫,醫院安排做次世代基因定序檢測,醫師說,我是 MET 基因中第二類比較少見的擴增型,從去年 5 月開始服用標靶藥物治療,全身浮腫的狀況改善了,病情也控制住,除了容易累,體力比較差,沒有影響到生活,我想老天爺在給我機會。

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    癌症就像一場暴風雨,考驗自己的內心,生活變得很慌亂,遇到事情就去面對它、解決它,慢慢把腳步站穩後,暴風雨過去了,接下來的每一天都要好好過,或許癌症真的是一個生命的禮物,敦促著我們找回人生最重要的事,也提醒正在看這封信的學弟妹們,醫療這麼發達,穩定用藥就可以擁有好的生活品質,不要放棄;開心是一天,不開心也是一天未來每一天,我選擇開心地過。

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    量子糾纏態的物理
    賴昭正_96
    ・2024/04/24 ・5889字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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    • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

    我不會稱量子糾纏為量子力學的「一般 (a)」特徵,而是量子力學「獨具 (the)」的特徵,它強制了完全背離經典的思想路線。

    ——薛定鍔(Edwin Schrödinger)1933 年諾貝爾物理獎得主

    相對論雖然改寫了三百多年來物理學家對時間及空間的看法,但並未改變人類幾千年來對「客觀宇宙」——「實在」(reality)——的認知與經驗:不管我們是否去看它,或者人類是否存在,月亮永遠不停地依一定的軌道圍繞地球運轉。可是量子力學呢?它完全推翻了「客觀宇宙」存在的觀念。在它的世界裡,因果律成了或然率,物體不再同時具有一定的位置與運動速度……。

    這樣違反「常識」的宇宙觀,不要說一般人難以接受,就是量子力學革命先鋒的傅朗克(Max Planck)及愛因斯坦(Albert Einstein)也難以苟同!但在經過一番企圖挽回古典力學的努力失敗後,傅朗克終於牽就了新革命的產物;但愛因斯坦則一直堅持不相信上帝在跟我們玩骰子!因此 1935 年提出了現在稱為「EPR 悖論(EPR Paradox)」的論文,為他反對聲浪中的最後一篇影響深遠的傑作。

    1964 年,出生於北愛爾蘭、研究基本粒子及加速器設計的貝爾(John Bell),利用「業餘」時間來探討量子力學的基礎問題,提出題為「關於愛因斯坦(Einstein)-波多爾斯基(Podolsky)-羅森(Roson)悖論」的論文。貝爾深入地研究量子理論,確立了該理論可以告訴我們有關物理世界基本性質的地方,使直接透過實驗來探索看似哲學的問題(如現實的本質)成為可能。

    2022 年的諾貝爾物理獎頒發給三位「用光子糾纏實驗,……開創量子資訊科學」的業思特(Alain Aspect)、克勞瑟(John Clauser)、蔡林格(Anton Zeilinger)的物理學家。讀者在許多報章雜誌(如 12 月號《科學月刊》)均可看到有關貝爾及他們之工作的報導,但比較深入討論貝爾實驗的文章則幾乎沒有。事實上貝爾的數學確實是很難懂的,但只要對基本物理有點興趣,我們還是可以了解他所建議之實驗及其內涵的。因此如果讀者不怕一點數學與邏輯,請繼續讀下去吧:我們將用古典力學及量子力學推導出在實驗上容易證明/反駁的兩個不同結果。

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    角動量與自旋角動量

    在我們日常生活裡,一個物體(例如地球)可以擁有兩種不同類型的角動量。第一種類型是由於物體的質心繞著某個固定(例如太陽)的外部點旋轉而引起的,這通常稱為軌道角動量。第二種類型是由於物體的內部運動引起的,這通常稱為自旋角動量。在量子物理學裡,粒子可以由於其在空間中的運動而擁有軌道角動量,也可以由於其內部運動而擁有自旋角動量。實際上,因為基本粒子都是無結構的點粒子,用我們日常物體的比喻並不完全準確1;因此在量子力學中,最好將自旋角動量視為是粒子所擁有的「內在性質」,並不是粒子真正在旋轉。實驗發現大部分的基本粒子都具有獨特的自旋角動量,就像擁有獨特的電荷和質量一樣:電子的自旋角動量為 ½ 2,光子的自旋角動量為 1。

    量子力學裡的角動量有兩個與我們熟悉之角動量非常不同的性質:

    1. 前者不能連續變化,而是像能量一樣被量化(quantized)了,例如電子的自旋量子數為 ½,所以我們在任何方向上所能量到的自旋角動量只能是 +½(順時針方向旋轉)或 -½(逆時針方向旋轉)
    2. 後者的角動量可以同時在不同的方向上有確定的分量,但基本粒的(自旋)角動量卻不能。

    EPR 論文

    EPR 論文討論的是位置與動量的客觀實在性;貝爾將其論點擴展到自旋粒子的角動量上,討論兩個粒子相撞後分別往左、右兩個不同方向飛離後的實驗。因曾相撞作用之故,它們具有「關連」(correlated)的自旋角動量;但常識與經驗告訴我們,如果分開得夠遠的話,它們之間應不再互相作用影響,因此我們在任一體系所做的測量也應只會影響到該體系而已。這「可分離性」(separability)及「局部性」(locality)的兩個假設可以説是物理學成功的基石,因此沒有人會懷疑其正確性的。

    讓我們在這裡假設粒子相撞後的總自旋角動量爲零。如果我們測得左邊粒子的 B- 方向自旋為順時(見圖一),則可以透過「關連」而預測右邊粒子的 B- 方向自旋應為逆時。因右邊粒子一直是孤立的,基於物理體系的「可分離性」與「局部性」,如果我們可以預測到其自旋的話,則其自旋應該早就存在,爲一「實在」的自然界物理量。

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    EPR 與貝爾實驗裝置。 圖/作者提供   

    同樣地,如果我們突然改變主意去量得左邊粒子的 C- 方向自旋為順時,則也可以透過「關連」而預測到右邊粒子的 B- 方向自旋應為逆時。但右邊粒子一直是孤立的,因此其 C- 方向自旋也應該早就存在,亦爲一「實在」的自然界物理量。所以右邊的粒子毫無疑問地應同時具有一定的 B- 方向自旋與 C- 方向自旋。同樣的論點也告訴我們:左邊的粒子毫無疑問地也應同時具有一定的 B- 方向自旋與 C- 方向自旋。如果量子力學説粒子不能同時具有一定的 B- 方向與 C- 方向自旋,而只能告訴我們或然率,那量子力學顯然不是一個完整的理論!

    貝爾的實驗

    貝爾將這一個物理哲學上的爭論變成可以證明或反駁的實驗!如圖一,我們可以設計偵測器來測量相隔 120 度的 A、B、C 三個方向的自旋(順時或逆時)。依照古典力學(EPR),自旋在這三個方向上都有客觀的存在定值。假設左粒子分別為(順、順、逆);則因總自旋須爲零,右粒子在三方向的自旋相對應爲(逆、逆、順)。在此情況下,如果我們「同時去量同一方向」之左、右粒子自旋,應可以發現(順逆)(順逆)(逆順)三種組合。可是如果我們「同時且隨機地取方向去量」左、右粒子自旋,應可以發現的組合有(順逆)(順逆)(順順)(順逆)(順逆)(順順)(逆逆)(逆逆)(逆順)九種;其中相反自旋的結果佔了 5/9。讀者應該不難推出:不管粒子在三方向的自旋定值爲何,發現相反自旋的結果不是 5/9 就是 9/9,即永遠 ≥ 5/9。

    量子力學怎麼說呢? 在同一個假設的情況下, 量子力學也說如果我們「同時去量同一方向」之左、右粒子自旋, 應發現的組合也是只有(順逆)(順逆)(逆順)三種。但量子力學卻說:可是如果我們「同時且隨機地取方向去量」左、右粒子自旋,則會得到不同於上面預測之 ≥ 5/9 的結果!為什麼呢?且聽量子力學道來。

    量子力學與或然率

    自動角動量。圖/作者提供

    在古典力學裡,如果在某個方向測得的自旋角動量為 +½,則其在任何方向的分量應為 +½ cosθ,如圖二所示。但在量子力學裡,因為不可能同時在其它方向精確地測得自旋角動量,因此分量只能以出現 +½ 或 -½ 之或然率來表示;這與古典力學不同,也正是問題所在。但古典力學到底還是經過幾百年之火煉的真金,因此如果我們做無窮次的測量,則其結果應該與古典力學相同:即假設測得 +½ 的或然率是 P,則

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    如果角度是 120º,則解得 P 等於 1/4:也就是說有 1/4 的機會量得與主測量同一方向(+½)自旋角動量,3/4 機會量得 -½ 自旋角動量。

    讓我們看看這或然率用於上面所提到之貝爾實驗會得到怎麼樣的結果。依量子力學的計算,如果在左邊 A- 方向量得的是順時鐘的話,則因「關連」,右邊 A- 方向量得的便一定(100%)是逆時鐘;但因角動量不能同時在不同的方向上有確定的分量, 故在其它兩方向量得逆時鐘的或然率依照上面的計算將各爲 1/4,因此左、右同時測得相反自旋的或然率只有 ½ [=(1+1/4+1/4)*3/9,三方向、九方向組合]而己。

    實驗結果呢?1/2,小於 5/9!顯然粒子在不同方向同時具有固定自旋的假設是錯的!EPR 是錯的!古典力學是錯的!量子力學戰勝了!貝爾失望克勞瑟賭輸了!

    量子糾纏態

    上面提到如果左邊 A- 方向量得的是順時鐘的話,則右邊 A- 方向量得的便一定(100%)是逆時鐘;可是左、右粒子在作用後,早已咫尺天涯,右粒子怎麼知道左粒子量得的是順時鐘呢?量子力學的另一大師薛定鍔(Edwin Schrödinger)從 EPR 論文裡悟到了「糾纏」(entanglement)的觀念。他認爲在相互作用後,兩個粒子便永遠糾纏在一起,形成了一個量子體系。因是一個體系,因此當我們去量左邊粒子之自旋時,量子體系波函數立即崩潰,使得右邊粒子具有一定且相反的自旋。可是右邊的粒子如何「立即知道」我們在量左邊的粒子 A- 方向及測得之值呢?那就只有靠愛因斯坦所謂之「鬼般的瞬間作用」(spooky action at a distance)了!此一超光速的作用轟動了科普讀者3!筆者也因之接到一些朋友的詢問,為寫這一篇文章的一大動機。

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    可是仔細想一想,在古典力學裡不也是這樣——如果左邊 A- 方向量得的是順時,則右邊 A- 方向量得的便一定是逆時——嗎?但卻從來沒有科學家或科普讀者認為有「鬼般的瞬間作用」或「牛頓糾纏態」去告訴右邊粒子該出現什麼。這「鬼般的瞬間作用」事實上是因為在未測量之前,量子力學認為右邊粒子自旋是存在於一種沒有定值之或然率狀態的「奇怪」解釋所造成的。例如我們擲一顆骰子,量子力學說:在沒擲出之前,出現任何數的或然率「存在」於一種「波函數」中。但一旦擲出 4 後,波函數便將立即崩潰:原來出現 4 之 1/6 或然率立即瞬間變成 100%,其它數的或然率也立即瞬間全部變成零了。但在日常生活中,我們(包括 EPR)從不認為那些或然率「波函數」為一「客觀的實體」,故也從來沒有人問:其它數怎麼瞬間立即知道擲出 4 而不能再出現呢?波函數數怎麼瞬間立即崩潰呢?

    事實上從上面的分析,讀者應該可以看出:根本不需要用「右粒子『知道』左粒子量得的是順時鐘」,我們所需要知道的只是量子力學的遊戲規則:粒子的角動量不能同時在不同方向上有確定的分量;即如果 100% 知道某一方向的自旋,其它方向的自旋便只能用或然率來表示。一旦承認這個遊戲規則,那麼什麼「量子糾纏態」或「鬼般的瞬間作用」便立即瞬間消失!這些「奇怪」名詞之所以出現,正是因為我們要使用日常生活經驗語言來解釋量子系統中訊息編碼之奇怪且違反直覺的特性4 所致。

    結論

    在想用日常生活邏輯或語言來了解自然界的運作失敗後,幾乎所有的物理學家現在都採取保利(Wolfgang Pauli)的態度:

    了解「自然界是怎樣的(運作)」只不過是形上學家的夢想。我們實際上擁有的只是「我們能對大自然界說些什麼」。在量子力學層面,我們能說的就是我們能用數學來說的——結合實驗、測試、預測、觀察等。因此,幾乎所有其它事物在本質上都是類比和或想像的。事實上,類比或意象性的東西可能——而且經常——誤導我們。

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    換句話說,物理學的任務是透過數學計算5,告訴我們在什麼時刻及什麼地方可以看到月亮;至於月亮是不是一直那裡,或怎麼會到那裡……則是哲學的問題,不是物理學能回答或必須回答的。如果硬要用日常生活邏輯或語言去解釋月亮怎麼出現到哪裡,那麼我們將常被誤導。

    誠如筆者在『思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」?』一文裡所說的:『空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要』,我們在這裡也可以說;「量子糾纏態」根本不存在,它只是用來說明量子力學之奇怪宇宙觀的「語言」而已;沒有量子力學的或然率自然界,就沒有「量子糾纏態」的必要。

    註解

    1. 讓我們回顧一下在 1925 年最早提出電子自旋觀念的高玆密(Samuel Goudsmit)及烏倫別克(George Uhlenbeck)當時所遭遇到的困擾。如果不是因為他們那時還是個無名小卒的研究生,提出電子自旋的人大概便不是他們了!底下是烏倫別克的回憶:『然後我們再一起去請教(電磁學大師)羅倫玆(Hendrik Lorentz)。羅倫玆不只以他那人盡皆知的慈祥接待我們,並且還表現出很感興趣的樣子——雖然我覺得多少帶點悲觀。他答應將仔細想一想。一個多禮拜後,他交給我們一整潔的手稿。雖然我們無法完全了解那些長而繁的有關自旋電子的電磁性計算,但很明顯地,如果我們對電子自旋這一觀念太認真的話,則將遭遇到相當嚴重的難題!例如,依質能互換的原則,磁能便會大得使電子的質量必須大於質子;或者如果我們堅持電子的質量必須為已知的實驗數值,則電子必須比整個原子還大!高玆密及我都認為至少在目前我們最好不要發表任何東西。可是當我們將決定告訴羅倫玆教授時,他回答說:「我早已將你們的短文寄出去投稿了!你們倆還年青得可以去做一些愚蠢的事!」』。後來呢?電子自旋的概念在整個量子力學的系統裏,脫出了「點」與「非點」這類的爭論,而被物理學界普遍接受。今天當物理學家用「電子自旋」這一術語時,有他們特定的運作定義,絕不虛幻,但也絕不表示電子是一個旋轉的小球(因為那將與實驗不符);但是有時把電子看為自轉的小球,可以幫助我們理解與教育初學者。
    2. 單位為普朗克常數(Planck constant)除以 2π。
    3. 玻爾(Niel Bohr):「那些第一次接觸量子理論時不感到震驚的人不可能理解它。」
    4. 這種量子效應以前一直被認為造成困擾,導緻小型設備比大型設備的可靠性更低、更容易出錯。但 1995 年後,科學家開始認識到量子效應雖然「令人討厭」,但實際上可以用來執行以前不可能處理的重要資訊任務,「量子資訊科學」於焉誕生。
    5. 薛定鍔:「量子理論的數學框架已經通過了無數成功的測試,現在被普遍接受為對所有原子現象的一致和準確的描述。」

    延伸閱讀

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    賴昭正_96
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    成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。